'폭죽(Firework)'의 원리

 불꽃 축제에서는 다양한 색깔의 '폭죽(Firework)'이 터진다. 요즘에는 동그라미 이외의 모양의 폭죽도 잇달아 개발되고 있다. 그런데 이와 같은 폭죽의 '아름다운 색깔'이나 '다양한 모양'은 어떻게 만들어질까?

0. 목차

1. 폭죽의 기본 구조
2. 폭죽의 색깔
3. 폭죽의 모양

1. 폭죽의 기본 구조

1. 별(Star): 형형색색의 빛깔을 내며 터지는 알갱이. 화약에 금속 성분을 섞어서 제작
2. 할약: 점화되면 옥피를 부수며 별을 사방으로 밀어내는 흑색 화약
3. 추진약: 연화를 폭발 고도까지 올려보내는 화약
4. 옥피: 종이로 제작된 외피. 공중으로 올라갈 때까지 내용물을 터지지 않게 보호
5. 도화선(Time Fuse): 연화 안에 설치해 공중으로 쏘아진 수초 뒤 터지도록 폭발을 지연시킴

2. 폭죽의 색깔

 요즘의 불꽃 축제 등에서는 다양한 색깔의 폭죽을 터뜨리고 있다. 폭죽의 색깔은 '별(Star)'에 넣는 '화약(Gunpowder)'과 '염색제'에 따라 다채로운 색깔이 만들어진다.

2-1. 폭발에 의한 '온도'가 색깔과 밝기를 결정한다.

 먼저 화약의 폭발에 의한 '온도'가 색깔과 밝기를 결정한다. '화약'은 산소 원자를 포함하는 '산화제'와 쉽게 타는 '가연제'로 이루어지며, 이 둘이 섞이면 폭발적인 연소를 일으킨다. 예컨대 '흑색 화약'은 '산화제'로 '질산칼륨(KNO₃)', '가연제'로 '목탄'이나 황'이 혼합되어 있다. 옛날의 폭죽은 흑색 화약의 목탄이 타오르는 검붉은 색뿐이었다. 연소 온도가 낮기 때문에 밝은 색은 나올 수 없었던 것이다.

 현대에는 금속 화합물을 조합시킨 염색제를 사용함으로써, 다양한 색을 만들어 낼 수 있다. 불덩어리 속에 특정 금속 화합물을 넣으면 불덩어리는 그 금속 특유의 색깔이 되는데, 이 성질을 '불꽃 반응'이라고 부른다. '불꽃 반응(Flame Reaction)'이란 알칼리금속이나 알칼리토금속의 성분을 포함하는 물질을 겉불꽃에 넣으면 특유의 불꽃색이 나타나는 현상이다. '불꽃 반응'은 연소 온도가 적절하게 높을수록 선명한 색깔이 나온다. 요즘에 다양한 색깔의 폭죽이 판매될 수 있는 것은, 산화제가 개량되어 고온이 됨으로써 불꽃의 색깔이 크게 변했기 때문이다.

2-2. 불꽃의 색깔은 단순하게 정해지지 않는다.

 불꽃의 색깔은 노란색이 '나트륨(Na)', 붉은색이 '염화스트론튬(SrCl₂)', 푸른색이 '염화구리(CuCl, CuCl₂)', 초록색이 '염화바륨(BaCl₂)'의 화합물을 염색제로 사용해 발광시킨다. 금속 원자나 화합물의 분자가 고온이 되면 원자 및 분자 중의 '전자(Electron)'이 에너지를 받아들인다. 그리고 그 에너지를 빛으로 외부에 방출하는 것이다. 방출할 때의 빛의 파장은 금속에 따라 달라지므로, 특유의 색깔이 나온다.

 근년에는 주로 빨강, 노랑, 파랑의 색깔을 조합시킴으로써 새로운 색깔이 만들어지고 있다. 예컨대 자주색의 경우, 붉은색과 푸른색 염색제를 섞어 만들었다. 이렇게 말하면, 불꽃의 색깔을 간단하게 만들어낼 수 있다고 생각할지도 모른다. 하지만 불순물이 섞이면 색깔이 탁해지는 등의 문제 때문에 색깔을 만들어 내기란 쉬운 일이 아니다. 화합물에 의해 발색의 색상이 정해져 있더라도, 불꽃으로서 보이는 색깔은 단순하지 않다. 화합물의 조합이나 온도에 따라 색깔과 그 선명도가 크게 달라져버리기 때문이다. 그리고 '실험실에서 보는 색깔'과 '실제로 발사해 관객이 보는 색깔'의 인산이 일치하지 않는다는 점도 어려운 문제 중 하나다.

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3. 폭죽의 모양

 그러면 폭죽의 모양은 어떻게 만들어질까? 폭죽의 기본 구조는 폭발을 일으키는 '할약', 빛을 내는 '별(Star)' 그리고 '도화선(Time Fuse)'으로 되어 있다. '별'의 배치에 따라 다양한 모양이 만들어진다.

3-1. 공 모양의 폭죽

 '공 모양으로 퍼지는 폭죽'은 다양한 모양을 만들어 내기 쉽다. '공 모양의 폭죽은 다시 '한꺼번에 터지는 폭죽'과 '둘로 갈라지는 폭죽'으로 나누어진다. '한꺼번에 터지는 폭죽'은 빛을 내는 '별'을 폭발에 의해 사방팔방으로 휘날리게 하며, '둘로 갈라지는 폭죽'은 불꽃이 둘로 갈라지면서 별을 방출한다.

 아래의 사진을 보자. 왼쪽과 같이 드리워지는 폭죽은 연소 시간이 긴 별이 사용된다. 별이 타면서 낙하하므로, 길게 드리워지는 것처럼 보인다. 이와 같은 모양은 기본적으로 단색이다. 한편, 오른쪽 같이 원형으로 지지 않고 드리워지는 것은 불꽃의 아래만 벌어져 별이 낙하한다.

3-2. 크게 드리워지는 폭죽

 그런데 '한꺼번에 퍼지는 폭죽'에는 드리워지는 것처럼 열리는 것도 있다. 다른 폭죽과 무엇이 다를까? 그것은 '가연제'에 의한 별의 연소 시간이 다르다. '가연제'의 배합에 의해 연소 시간을 길게 할 수 있으며, 폭죽이 열린 뒤 별이 타면서 드리워져간다. 공 모양으로 열리고 나서 길게 드리워지는 폭죽에서 색깔을 본 적이 있는가? 아마 드리워지는 폭죽은 노란색이나 하얀색밖에 보지 못했을 것이다.'공 모양으로 열리고 나서 길게 드리워지는 폭죽'은 색깔이 노란색이나 하얀색으로밖에 만들 수 없기 때문이다.

 그에 비해 붉은색이나 푸른색 등 다양한 색깔로 작게 드리워지는 것은 '둘로 갈라지는 폭죽'으로 만든다. 폭죽의 아래만 벌어지게 쪼갬으로써 별을 방사상으로 날리지 않고, 아래로 떨어뜨리는 것이다.

3-3. 캐릭터 모양의 폭죽

 근년에 만들어지는 한꺼번에 터지는 폭죽에서는 나비나 캐릭터 등 다양한 모양이 등장하고 있다. 그러나 이와 같은 폭죽은 평면으로 디자인되어 있으므로, 폭죽이 벌어질 때의 방향에 따라 모양이 보이는 경우와 모양을 알 수 없는 경우가 있다. 그러면 모양이 잘 보이도록 폭죽을 터뜨릴 수는 없을까? 터뜨릴 때 폭죽이 회전하고 있으므로 어렵다. 그래서 최근에는 입체적으로 디자인해, 어떤 각도에서 보더라도 모양을 알 수 있는 폭죽이 고안되고 있다고 한다.